盾构隧道施工对地层深部变形影响

中国电建集团铁路建设有限公司 岳志坤 王天梁

盾构法施工不同于常规施工方法（如浅埋暗挖、矿山开挖等），由于其特有的施工工艺使盾构法施工时引起的应力重分布及深层土体变形较常规方法有所不同，盾构隧道施工时盾构机的掘进、盾构机外壳与围岩之间的相互作用、盾构机通过、盾尾注浆与二次注浆等几个施工阶段都会扰动周围的围岩，这些施工扰动在试验研究中比较复杂。

针对隧道施工引起的地层变形问题，各学者在理论和工程实践中做了许多研究，是在理论方面对盾构隧道施工引起的地层变形进行了研究，施成华对隧道施工地层变形进行了时间的空间预测理论研究，丁春林等对盾构掘进造成的土体位移进行了研究，邱明明对盾构引起的土体位移预测进行了研究，并进行了三维数值模拟与现场实测试验，对比分析了两者的结果差异，工程人员基于盾构施工过程，利用弹性力学Mindlin解，得到盾构施工引起的总地面变形计算公式，余志江系统分析了目前盾构隧道施工诱发的地层变形的预测方法和估计地铁隧道施工对地面和地下临近构筑物的影响理论，并提出了适当的修正方法。总结前人的研究结果，在盾构隧道施工对深层土体影响方面的研究还相对较少。

图1 盾构掘进施工过程中地层受力示意图

盾构隧道施工对地层扰动机理

盾构机掘进时周围土体受到挤压、摩擦和剪切等不同程度的扰动，原有的平衡状态被打破，地层在再次达到平衡状态时发生变形。为保证隧道施工安全，避免施工时变形过大，有必要探索盾构施工时造成地层变形的扰动机理，采取针对性的变形控制措施。

盾构掘进施工过程中引起地层变形的机理复杂，根据盾构掘进施工中各种受力图（如图1所示），以下就几个重要方面对盾构施工引起地层变形进行分析。

掌子面受力失衡

当盾构机掘进时遇到复杂地层时，土压平衡盾构机常常会由于不同的推力和土壤排放量导致掌子面受力不平衡，从而导致地表沉降或隆起。当盾构机推力过大时，会挤压掌子面前土体发生地表隆起，相反则会造成地表沉降。

盾壳与围岩之间的相互作用

盾构机在前进的过程中，盾壳与围岩在摩擦力的作用下会形成扰动区，在该扰动区范围内的地层受到盾壳的摩擦剪切作用，会产生容易发生破坏的剪切滑动面，是围岩受扰动最严重的区域。

盾尾空隙的存在和壁后注浆不充分

在盾壳被拖出后，盾壳与衬砌之间有间隙，此时注入的浆液还未凝固，浆液的强度还不够，围岩在没有支撑的情况下会向内发生弹塑性变形，进而导致周围的岩体松动和塌陷。

地下水位下降

当有水流入或盾尾漏水时，地下水压力会增加，容易导致固结和变形。另外，周围的地下水还会继续流过来，从而在隧道周围会有动应力场，进一步增加了地层的有效应力，加剧了地层的固结变形和二次固结变形。

盾构掘进引起地层竖直沉降变形

盾构掘进方向的地层竖直沉降变形

盾构掘进过程中引起推进方向地层沉降变形主要是由隧道开挖导致岩土体损失沉降与盾构推力挤压和盾构注浆导致的影响的叠加，可以分别对其进行计算，再运用叠加原理计算地层竖向沉降变形。

一般盾构隧道截面形式为圆形，取隧道半径为R，假设施工后断面各处变形量是一样的，在施工注浆后隧道断面处个点向内移动了ΔR，地面至隧道轴线的距离为H，则可以推导出地层下沉值W1（X，Y，Z）：

盾构机掘进过程中推力会将前方的岩土体产生挤压，使地层发生向上的隆起变形，同理把隆起的土体看成无数个单元体，在距地表深度为Z的单元体dxdydz,由盾构推力挤压引起的地层隆起为We（X，Y，Z）：

当盾构机推进力太大时，会使盾构机前方地层向上隆起，这种变形称为负地层损失，用n来表示，一般认为盾构机顶推挤压前方地层的影响范围为1.5R(R为盾构开挖直径)，推导出盾构推力挤压造成地层某点（X，Y，Z）的隆起量为：

盾构隧道施工引起掘进方向的地层竖直沉降变形等于隧道开挖、注浆与推力挤压等综合影响相互叠加的结果：

盾构掘进造成的隧道径向沉降变形

盾构机掘进施工过程中引起隧道径向的沉降变形因素主要是隧道岩土体开挖损失与注浆，即垂直盾构掘进方向的地层某一点（X,Y,Z）竖直沉降变形W横(X,Y,Z)=W1（X，Y，Z）（公式 2）：

盾构隧道施工时，由Peck公式可知，垂直盾构掘进方向的断面上会出现沉降槽（W横(X，0，Z)），随着地层深度的不同，沉降槽会有所差异，但整体的趋势相似，将深部地层变形沉降槽仍近似拟合为高斯正态分布曲线（如图2），将Peck 公式改为∶

式中：Sz(X)为地层某点沉降值（mm），Smax(z)为沉降槽曲线的最大沉降值（mm），x为该点距隧道中心水平距离（m），i(z)为z深度处的沉降槽宽度（m）；Vi为地层损失率。

图2 垂直盾构掘进方向的地层竖直沉降变形示意图

结语

结合土压平衡式盾构机施工力学行为及随机介质理论，在理论方面从力学角度分析了盾构掘进施工对地层的扰动机理，得到以下规律：盾构掘进时造成地层损失引起围岩变形，进而影响深层土体的变形，为保证隧道施工时的安全，要将掘进施工对周围土体的影响区域控制在合理范围内；将盾构施工引起地层竖向沉降变形简化为隧道开挖损失、注浆和掘进推力挤压作用等因素引起的地层沉降变形叠加确定最终的沉降变形，可以看出深层土体的横纵断面沉降槽曲线与地表的有类似之处；盾构隧道施工对深部地层造成的变形影响，主要是地层竖向沉降、隆起变形和沿隧道横纵断面方向的水平变形的综合影响。